DE10305332A1

DE10305332A1 - Verfahren zur Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe, insbesondere bei Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen

Info

Publication number: DE10305332A1
Application number: DE2003105332
Authority: DE
Inventors: Andrea Gentile; Axel Hertling; Daniel Murdock; Jeffrey Steven Northville Arsenault
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: GB0319726D0; GB2398362A; DE10305332B4; FR2851057A1; FR2851057B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe, wobei aufgrund der Elastizität des Gesamtsystems, insbesondere des mechanischen Spiels, in den an der Bewegung beteiligten Bauteilen und der elastischen Verformung von Stellglied, Gehäuse und Stellantrieb eine Lageabweichung, die Hysterese, auftritt, und ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - das Verfahren zur Hysteresekompensation nur zur Anwendung kommt, wenn das Stellglied nicht zu einer Endlage gesteuert wird, DOLLAR A - das Verfahren zur Hysteresekompensation nur zur Anwendung kommt, wenn zuvor ein Wechsel der Bewegungsrichtung des Stellantriebs erfolgte, DOLLAR A - nach einem Wechsel der Bewegungsrichtung die der Hysterese des Gesamtsystems, dem Betrag der Hysterese entsprechende Anzahl von Kompensationsschritten des Stellantriebs durchgeführt werden und DOLLAR A - erst danach die lageverändernden Stellschritte des Stellglieds in der neuen Bewegungsrichtung zur Feststellung der aktuellen mechanischen Position des Stellglieds gezählt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe, insbesondere bei Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen.
Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen Gattung dienen zur Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe, wobei aufgrund der Elastizität des Gesamtsystems, insbesondere des mechanischen Spiels in den an der Bewegung beteiligten Bauteilen und der elastischen Verformung von Stellglied, Gehäuse und Stellantrieb eine Lageabweichung, die Hysterese, auftritt. Die Anwendung erfolgt insbesondere bei Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen, wobei jeder angesteuerten Position (elektrische Position) eine in beiden Bewegungsrichtungen gleiche, eindeutige mechanische Position zuzuordnen ist.
Die hohe Präzision, die bei der Bewegung der Ventilklappen gefordert wird, kann nur gewährleistet werden, wenn die Steuerung auch tatsächlich die geforderte mechanische Position anfährt. Dazu ist es erforderlich, das Spiel in den Bauteilen, das bei Umkehr der Bewegungsrichtung der Ventilklappe auftritt, auszugleichen.
Vergleichbare Aufgaben zu lösen, war das Ziel der folgenden Verfahren und Vorrichtungen.
Ähnliche Verfahren zur Berücksichtigung des Hysteresefehlers wurden in den US-Patenten 5,646,403 und 5,780,853 für die Steuerung des Scannerantriebs eines Elektronenmikroskops verwendet. Dieser Scannerantrieb wird mit Gewindespindeln und Schrittmotoren realisiert. Die Mikroschrittsteuerung wird um einen Teilungsfehler-Speicher ergänzt. In diesem wird der ermittelte Betrag der Hysterese abgelegt und bei der Steuerung des Motors berücksichtigt. Bewegungen in verschiedene Richtungen werden ebenfalls gespeichert.
Ebenfalls mit der Antriebssteuerung eines optischen Apparats und der zugehörigen Antriebssteuerungsmethode befasst sich das US-Patent 6,085, 044. Dabei kommen Bauteile zur Speicherung der Antriebsrichtung und zur Ermittlung der Position des angetriebenen Teils zur Anwendung. Wenn die aktuelle Bewegungsrichtung von der vorher gespeicherten abweicht, wird die Bewegungsabweichung ebenfalls gespeichert.
Ein anderes Verfahren zur Hysteresekompensation beschreibt das US-Patent 4,042,869. Bei Richtungswechsel in der Bewegung des Stellglieds wird eine Hysteresekompensation vorgenommen. Bei Antrieb durch einen Schrittmotor wird nach jedem Schritt die Position des Stellglieds geprüft, bis dieses ebenfalls beginnt sich zu bewegen. Vorgesehen sind Stellglieder mit automatischen oder handgesteuerten Antrieben.
In dem US-Patent 3,560,830 ist ein Steuerungssystem zur Positionierung von Maschinenelementen beschrieben, das im Zusammenhang mit einer Anzahl vorbestimmter Eingangsbefehle das Spiel von mechanischen Verbindungen auszugleichen vermag. Es besteht aus einem Motorantrieb, einem Impulsgenerator, einer ersten und einer zweiten Steuerungseinrichtung, deren Eingang mit dem Ausgang des Impulsgenerators und deren Ausgang mit dem Antrieb verbunden ist. Die erste Kontrolleinrichtung überträgt Impulse vom Impulsgenerator zum Antrieb, um die Maschinenelemente zu positionieren. Die zweite Steuerungseinrichtung überträgt die Impulse des Impulsgenerators zum Antrieb, um die Hysterese im Maschinenelement auszugleichen. Weiterhin gehört zum System ein Richtungsvergleicher, um die Richtungskomponente des Eingangsbefehls mit der Richtungskomponente mit dem unmittelbar vorausgehenden Eingangsbefehl zu vergleichen. Der Richtungsvergleicher ist verbunden mit den Eingängen der ersten und der zweiten Steuerungseinrichtung. Der Richtungsvergleicher aktiviert die erste Steuerungseinrichtung, wenn die Richtungskomponenten gleich sind, und die zweite, wenn die Richtungskomponenten entgegengerichtet sind. Entsprechend sorgt die zweite Steuerungseinrichtung für die Hysteresekompensation.
Ein numerisches Steuerungsfehlerkompensationssystem, das einen zuvor gemessenen Positionsfehler in Bezug setzt zum angewiesenen Bewegungswert, wird im US-Patent 4,251,761 beschrieben. Insbesondere kommt es zur Anwendung beim Wechsel zwischen Vor- und Rückwärtsbewegung.
Insgesamt ist den Lösungen nach dem Stand der Technik gemeinsam, dass sie keine einfach umsetzbare Lösung für die geforderte Hysteresekompensation beim Antrieb der Ventilklappe in Klimaregeleinrichtungen bieten können. Zudem erfordert die Spezifikation des Einsatzes in dem Gebiet der Klimaregeleinrichtungen die Berücksichtigung der besonderen Bedingungen dieses Einsatzes und dem damit verbundenen Erfordernis einer Teilungsfehlerprüfung. Die Anwendung darf sich weiterhin nicht auf Schrittmotoren als Antrieb beschränken, sondern muss auf unterschiedliche Arten von Stellantrieben anwendbar sein. Zudem haben bisher angewandte Technologien zumeist unterschiedliche Steuerungskurven erzeugt, in Abhängigkeit von der vorherigen Bewegungsrichtung des Stellglieds.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Erfindung derart weiterzubilden, dass die Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb von Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen durch Stellantriebe realisiert wird, wobei jeder angesteuerten Position (elektrische Position) eine in beiden Bewegungsrichtungen gleiche, eindeutige mechanische Position zuzuordnen ist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Hysteresekompensation von Stellgliedern gelöst, wenn beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe eine Lageabweichung, die Hysterese, auftritt. Diese wird hervorgerufen durch die Elastizität des Gesamtsystems, insbesondere des mechanischen Spiels in den an der Bewegung beteiligten Bauteilen und der elastischen Verformung von Stellglied, Gehäuse und Stellantrieb. Das Verfahren wird insbesondere eingesetzt bei Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen, wobei jeder angesteuerten Position (elektrische Position) eine in beiden Bewegungsrichtungen gleiche, eindeutige mechanische Position zugeordnet werden kann.

Das Verfahren zur Hysteresekompensation kommt nur zur Anwendung, wenn das Stellglied nicht zu einer Endlage gesteuert wird. Es muss sich also um einen Steuerbefehl zu einer mittleren Lage handeln.

Weiterhin kommt das erfindungsgemäße Verfahren zur Hysteresekompensation nur zur Anwendung, wenn zuvor ein Wechsel der Bewegungsrichtung des Stellantriebs erfolgte.

Sind die beiden vorangegangenen Voraussetzungen erfüllt, werden nach dem Wechsel der Bewegungsrichtung die der Hysterese des Gesamtsystems , dem Betrag der Hysterese entsprechende Anzahl von Kompensationsschritten vom Stellantrieb ausgeführt. Es wird also genau der Betrag der Bewegung gesteuert, der dem Betrag der Hysterese entspricht. Erst danach werden die lageverändernden Stellschritte des Stellglieds in der neuen Bewegungsrichtung zur Feststellung der aktuellen Position gezählt.

Im Bewegungsverlauf erfolgt eine Endlagenbestimmung, damit der Einsatz der Hysteresekompensation ausschließlich an Positionen zwischen beiden Endlagen erfolgt. An den Endlagen selbst treten andere Verfahren zur Sicherung der exakten Positionierung an die Stelle der Hysteresekompensation.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Vorteile verbunden:

– eine exakte mechanische Position der Ventilklappe wird angesteuert,
– jede einzelne Ventilklappe wird gesteuert,
– das System ist flexibel.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Dabei zeigen:

1: Flussbild zum Verfahren der Hysteresekompensation,

2: Stellglied nach Bewegung in Richtung A-B,

3: Stellglied nach Bewegung in Richtung B-A nach vorausgegangener Bewegung in Richtung A-B und Darstellung der Hysterese H,

4: Stellglied nach Bewegung in Richtung B-A nach vorausgegangener Bewegung in Richtung A-B und Darstellung der Hysterese H nach Hysteresekompensation und

5: Bewegungsdiagramm, das die Ungenauigkeiten bei der Positionierung zeigt, die durch Hysterese hervorgerufen werden.

1 zeigt im Flussbild den Ablauf der Hysteresekompensation bzw. die Entscheidung über ihren Einsatz beim Betrieb der Steuerung des Stellantriebs. Dargestellt sind die einzelnen Schritte im Prozessablauf.

– Schritt 1: Der Prozess wird eingeleitet, nachdem der Motor stoppt.
– Schritt 2: Wenn eine neue Anweisung der Steuerung ergeht, ist mit Schritt 3 fortzufahren, anderen falls ist der Programmablauf sofort beendet.
– Schritt 3: Wenn die Bewegungsrichtung der aktuellen Anweisung der der letzten Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist, folgt Schritt 4, anderenfalls Schritt 5.
– Schritt 4: Hinzufügen der vorbestimmten Anzahl Schritte in Höhe des Betrages der Hysterese in die neue Richtung, ohne diese Anzahl der Schritte in Betracht zu ziehen bei der Feststellung der aktuellen Position des Stellglieds.
– Schritt 5: Fortsetzung mit normaler Schrittfolge bei der Steuerung des Stellantriebs zur Bewegung des Stellglieds, entsprechend der ursprünglichen Anweisung zur Bewegung des Stellglieds. Diese Schritte werden dann gezählt zur Feststellung der aktuellen Position des Stellglieds.

2 zeigt das Stellglied während oder nach einer Bewegung in Richtung A-B, sich also von der Endlage A0 (100%) entfernend. Zu erkennen ist der Stellantrieb 2. Dieser Stellantrieb ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform als Schrittmotor ausgeführt. Die Bauteile, die sich zwischen Stellantrieb 2 und Stellglied 1 befinden und durch die der Kraftfluss verläuft, rufen ein Spiel hervor. Dadurch entsteht bei Umkehr der Bewegungsrichtung eine Hysterese H, das heißt: eine Differenz zwischen der Winkelstellung des Stellglieds α_s (mechanische Position) und der Winkelstellung des Stellantriebs α_A (elektrische Position).
3 zeigt diesen Zustand, bei dem eine Differenz zwischen der Winkelstellung des Stellglieds α_s (mechanische Position) und der Winkelstellung des Stellantriebs α_A (elektrische Position) als Hysterese H erkennbar ist.
In 4 wird die Hysteresekompensation wirksam, indem die Hysterese H bereits berücksichtigt wurde, ehe das Stellglied die geforderte mechanische Position eingenommen hatte.
Das Diagramm in 5 ist ein Bewegungsdiagramm, das die Ungenauigkeiten bei der Positionierung zeigt, die durch Hysterese hervorgerufen werden. Der. Graph s_ideal zeigt den idealen Verlauf, so wie ihn die Software zur Steuerung des Stellglieds ohne Berücksichtigung einer Hysteresekompensation abbildet. Praktisch tritt jedoch die Hysterese im Betrag Y auf, nachdem die Bewegungsrichtung geändert wurde. Das Stellglied bewegt sich im Fall X von A0 nach B0 (100% nach 0 der mechanischen Position). Dann stoppt der Antrieb, und ein Wechsel der Bewegungsrichtung folgt. Anstatt sich jedoch auf dem idealen Weg in Richtung Endlage A0 zurückzubewegen, verharrt das Stellglied in der erreichten mechanischen Position. Der Stellantrieb bewegt sich um die Anzahl Schritte (Y), die dem Betrag der Hysterese entspricht. Während der Stellantrieb diese Bewegung ausführt, ändert sich damit die elektrische Position, und es kommt zu einer Differenz zwischen mechanischer und elektrischer Position im Betrag der Hysterese. Erst nachdem der Stellantrieb die dem Betrag der Hysterese entsprechende Anzahl von Schritten ausgeführt hat, setzt sich das Stellglied in Richtung A0 in Bewegung, im Diagramm als Bewegung Z erkennbar. Die Software steuert deshalb den Stellantrieb nach dem Graphen s_komp, wobei die Hysterese bereits berücksichtigt und kompensiert ist, also eine Überlagerung der geforderten Bewegung des Stellgliedes und der Hysterese abbildet.
Das Verfahren zur Hysteresekompensation kommt nur zur Anwendung, wenn das Stellglied nicht zu einer Endlage gesteuert wird. Es muss sich also um einen Steuerbefehl zu einer mittleren Lage, z.B. 40%, handeln, wenn die Endlagen mit 0 und 100% bezeichnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hysteresekompensation kommt ebenfalls nur zur Anwendung, wenn zuvor ein Wechsel der Bewegungsrichtung des Stellantriebs erfolgte. Das ist der Fall, wenn eine Folge von Anweisungen zum Erreichen der Winkelstellungen 40%–45%–30% und damit ein Wechsel der Bewegungsrichtung erfolgte. Dann kommt die Hysteresekompensation zum Einsatz. Mit Anweisungen zum Erreichen der Winkelstellungen 40%–45%– 50% ist keine Änderungen der Bewegungsrichtung verbunden und damit entfällt der Einsatz der Hysteresekompensation.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Betrag der Hysterese für das System festgelegt und die Hysteresekompensation entsprechend gesteuert. Im anderen Fall wird der Betrag der Hysterese stets erneut gemessen und die Hysteresekompensation geregelt. Die Ermittlung des aktuellen Betrags der Hysterese erfolgt durch Sensoren.
In Zusammenhang mit der Hysteresekompensation werden zur Absicherung einer störungsfreien und exakten Funktion des Stellgliedes, im speziellen Fall der Ventilklappe der Klimaregeleinrichtung, verschiedene Strategien in Kombination oder unabhängig voneinander angewendet. Dazu gehören

– die Kaltstartstrategie des Stellantriebs,
– die Kalibrierung des Stellglieds,
– das Erkennen von Situationen, die zum Abwürgen des Stellantriebes führen,
– die Erkennung der Endlagen des Stellglieds,
– die Kompensation des Spiels des Stellglieds beim Erreichen einer Endlage,
– die Anfahrstrategie bis zum Erreichen des notwenigen Nenndrehmoments.

Diese Verfahren kommen in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung.

1: Stellglied
2: Stellantrieb
3: Endlage A0
4: Endlage B0
5: Antriebswelle des Stellantriebs
6: Steuereinrichtung
7: Regeleinrichtung
8: Endlagensensor
9: Betrag der Hysterese H
10: Winkelstellung des Stellglieds α_s
11: Winkelstellung des Antriebs α_A

Claims

Verfahren zur Hysteresekompensation von Stellgliedern beim Wechsel der Bewegungsrichtung beim Antrieb durch Stellantriebe, wobei aufgrund der Elastizität des Gesamtsystems, insbesondere des mechanischen Spiels in den an der Bewegung beteiligten Bauteilen und der elastischen Verformung von Stellglied, Gehäuse und Stellantrieb eine Lageabweichung, die Hysterese, auftritt, eingesetzt, insbesondere bei Ventilklappen in Klimaregeleinrichtungen, wobei jeder angesteuerten Position (elektrische Position) eine in beiden Bewegungsrichtungen gleiche, eindeutige mechanische Position zugeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verfahren zur Hysteresekompensation nur zur Anwendung kommt, wenn das Stellglied nicht zu einer Endlage gesteuert wird, – das Verfahren zur Hysteresekompensation nur zur Anwendung kommt, wenn zuvor ein Wechsel der Bewegungsrichtung des Stellantriebs erfolgte, – nach einem Wechsel der Bewegungsrichtung die der Hysterese des Gesamtsystems, dem Betrag der Hysterese entsprechende Anzahl von Kompensationsschritten des Stellantriebs durchgeführt werden und – erst danach die lageverändernden Stellschritte des Stellglieds in der neuen Bewegungsrichtung zur Feststellung der aktuellen mechanischen Position des Stellglieds gezählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bewegungsverlauf bei Erreichen einer Endlage eine Endlagenbestimmung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlagenbestimmung erfolgt, damit der Einsatz der Hysteresekompensation ausschließlich an Positionen zwischen beiden Endlagen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Hysterese festgelegt und die Hysteresekompensation gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Hysterese stets erneut gemessen und die Hysteresekompensation geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des aktuellen Betrags der Hysterese durch Sensoren ermittelt wird.